无机生物材料学第一章

无机生物材料学,孙钦课本,无机生物材料学 作者：汤顺清 出版：华南理工大学出版社,2,第一章 生物医学工程与生物材料,1. 1 生物医学工程概念 (biomedical engineering，BME),运用自然科学与现代工程多层面研究（人体结构、功能、疾病、生命健康）相关的人工材料、制品、仪器。理、工、医相结合的边缘学科 如：B超、假肢、义眼、心脏起搏器,3,2001年8月21日，世界上第一个接受全植入式人工心脏移植手术的病人罗伯特图尔斯通过电视向记者们讲述自己的喜悦心情。 全植入式人工心脏”形如柚子，重约1公斤，其主体是一个以钛和塑料为材料的泵，具有电子控制系统，能够根据身体需要调节泵的速度。,以尖端科技制成的机械手臂由20个微型马达驱动，空前精确地模拟出活生生肢体的动作，使用者通过神经冲动来控制它。手臂中甚至装入了记录触觉的传感器,阿曼达基茨的残肢经外科手术重新接驳神经后，肌肉仍可产生运动，并被传感器阵列记录下来。下一代的义肢能听命于转接的肌肉信号，行动越来越接近天生的血肉肢体。,生物材料（Biomaterials）: 是指生物体材料和各种医用、特别是对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功能的特殊功能材料。 如隐形眼镜，人造血管，支撑材料,7,生物材料包括：（1）生物体材料（Biological materials） 具体组成某种组织细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等。（2）生物医用材料(Biomedical materials) 是与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料，其研究的最终目的主要是制成人工器官或医疗器械代替和修复人体受损的组织、器官，以实现其生理功能。,生物材料的定义是根据它们的用途，而非它们的化学成份。,实例：眼内透镜组成：聚甲基丙烯酸甲酯（简写 PMMA） 1949年，英国的一位医生率先将一枚PMMA人工晶体植入患者眼内. 人工晶体或称假晶体，也叫作眼内眼镜。多用在白内障手术后，代替摘除的自身混浊晶体,高折射率易加工处理环境稳定性好机械性能优良,由于同样的原因，该材料过去曾用作汽车尾灯的罩盖,10,2. 生物材料的发展史,生物材料的研究有着悠久的历史：古代 公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃缝合伤口；用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年的中国、埃及墓葬中发现有假牙、假耳、假鼻等；,11,近 代： 最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。（良好的化学稳定性和易加工性） 1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机体组织刺激性最小； 1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗 1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。,12,现 代 不锈钢：1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口腔科； 1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高； 1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代AISI302； 60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。,13,钴镍合金：（铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用） 20世纪30年代末又被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；50年代成功制成人工髋关节；60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，并应用于临床；70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。,14,钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入体；50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；70年代，Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用；从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料；70年代以后， NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。,15,生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷-低温各向同性碳-生物玻璃-羟基磷灰石（生物活性陶瓷）-生物陶瓷复合材料-引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架；医用高分子：开始于50年代有机硅聚物的发展。90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。,2.2 生物材料的分类,按材料来源分类：（1）天然材料 天然高分子材料：纤维素、天然橡胶、胶原、明胶、纤维 蛋白和甲壳素等 生物组织材料 （2）合成材料,16,无机材料：合金、陶瓷等,自体组织,异体组织,同种异体组织,异种异体组织,高分子材料：塑料、橡胶和纤维等,17,按成分和性质来分类：（1）有机材料 高分子材料：聚乙烯、聚乳酸等（2）无极材料 金属材料：不锈钢、钴基合金等 陶瓷材料：氧化铝、生物玻璃和羟基 磷灰石等 复合材料：纤维增强聚合物和金属-陶 瓷复合材料等,按材料的生物性能分类,（1）生物惰性材料（2）生物活性材料（3）生物降解材料（4）生物复合材料,18,按材料的医学用途分类,（1）硬组织材料：人工骨、人工关节和牙齿等（2）软组织材料：人工皮肤、人工器官、人工食道等（3）心血管材料：人工心脏、人工瓣膜、人工血管（4）血液代用材料：右旋糖酐、羟乙基淀粉（5）分离或透过性膜材料：人工肾、人工肝的透析膜（6）黏合剂、缝合线、药物载体材料：线型脂肪酸聚酯、聚乙 烯醇、胶原和纤维素等,19,按生物材料与人体接触时间长短分类,（1）长期植入材料：如人工血管、软硬组织材料（2）短期植入材料：心室辅助装置、透析器等（3）生物降解材料：黏合剂、手术缝合线、药物载体材料等（暂时替代组织器官功能或作缓释体）（4）一次性使用医疗用品材料：注射器、输液袋等,20,21,发展阶段：,生物材料发展的三个不同阶段及其特点,3 生物材料的研究现状,3.1 第一代生物材料：生物惰性材料,定义： 对人体组织化学惰性，能恢复组织或器官的功能（部分）化学惰性： 无炎症或凝血现象、无急性毒性或刺激反应、无免疫反应。,22,生物惰性材料分类 （1）不锈钢、钛及其合金、钴基合金等金属材料 （2）氧化硅、氧化铝、氧化锆等生物惰性陶瓷材料 （3）硅橡胶、高分子量聚乙烯等有机高分子材料 （4）碳纤维、低温热解同性碳等碳基材料 (5) 纤维增强聚合物材料、金属陶瓷复合材料,应用实例,25,a 臀关节 b 膝关节c 肩关节 d 肘关节,心脏瓣膜,应用实例,26,人工晶体,人工牙齿,生物惰性材料优缺点,优点： 性能可靠、可批量化生产、成本低、生物医用材料占主导地位缺点： 材料本身不能促进或加速伤口的愈合；往往要进行二次手术；植入体与生物主体之间存在界面问题,27,3.2 第二代生物材料：生物活性化或生物可吸收的生物材料,（1） 生物活性化材料：生物惰性材料的表面活性化改性获得生物相容性更好的材料（重点是抗凝血材料 的设计） 例如：医用金属材料表面HA、TCP涂层 （2）生物可吸收的生物材料：生物可降解性医用材料，包括可生物降解吸收的骨水泥、陶瓷及生物可降解高分子（力学性能低）缺点：材料本身并不同时具有生物活性和生物降解特性,28,聚乳酸应用,聚乳酸人造皮肤,聚乳酸导管支架,2018/1/17,无机生物材料,29,3.3 第三代生物材料：组织再生用生物材料 第三代生物医用材料在生物体内能被降解, 最终为机体所吸收, 同时材料本身又具有生物活性, 能参与机体的生理活动, 在分子水平上激活基因, 刺激相关细胞产生响应, 从而诱导组织和器官的形成,是细胞和基因的活性化材料。 目前, 第三代生物医用材料已成为国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向, 在组织工程中已开始有广泛的临床应用。 包括： 再生医学和组织工程,再生医学（Regenerative Medicine） 部分或全部缺损的人体组织在位再造的医学特征：个体化操作，不适宜工程化生产,31,组织工程(Tissue Engineering) 是应用细胞生物学和工程学的原理,在正确认识哺乳动物正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上,研究和开发关于修复、维护和促进人体各种组织器官功能和形态的一门新学科三要素：材料支架、种子细胞、生长因子,组织工程基本方法：是将体外培养的高浓度组织细胞,扩增后粘附于一种生物相容性好并可被人体逐步降解吸收的三维多孔人工细胞外基质(支架材料) 上,细胞在该支架上可获取足够的营养物质,进行新陈代谢,并按预制形态的三维支架生长、增殖和组织分化;然后将这种组织工程化细胞和生物材料的结构物(组织工程构件) 植入到机体缺损或病变部位。种植的细胞在支架逐渐被降解吸收过程中, 继续增殖并进一步分化,最终组装成新的具有或部分具有原来特殊功能和形态的组织和器官,从而达到创伤修复和功能重